低山丘陵地区资源环境承载力评价研究——以河北省卢龙县为例

刘育博，朱永明，杨尧

(1河北农业大学 国土资源学院，河北 保定071000；2河北省自然保护地项目与野生动植物保护中心，河北 石家庄050081)

资源环境承载力是指一个地区自然、资源、环境和社会经济等多项因素的综合表征，表示了一个区域内的资源结构满足持续需求和环境功能维持稳定状态的条件下，能够承载人类各种社会经济建设活动的最大能力[1]。近年来资源、生态、环境及社会经济之间的矛盾日益严重，诸多问题的出现使得学术界意识到按照资源环境条件统筹国土空间规划建设的紧迫性和重要意义。国家“十四五”规划纲要中明确提出要优化国土空间布局，推进区域协调发展。因此，资源环境承载力是衡量区域可持续发展的重要依据，如何权衡资源环境开发保护与经济发展已成为备受关注的重要课题[2]。

资源环境承载力的研究关系到资源环境的“最大负荷”，这一基本的科学命题，早在20世纪初期就具备雏形[3]。Errington 将承载力定义为生态系统基于有限的食物和避难所、以及捕食者和人类开采同时存在的限制条件下达到饱和水平时的最大生物量[4]。随着研究的不断深入，资源环境承载力研究与可持续发展相适应，已经由原来单一的土地资源承载力研究、水资源承载力研究拓展至资源环境承载力综合研究。近年来，学者们根据不同的研究领域，探究切实可行的研究方法，建立了合理严谨的研究体系[5-6]。段学军、傅聪颖、雷勋平等学者围绕自然资源承载力、生态环境承载力、社会承载力等不同领域的承载系统模块，构建评价指标体系[7-9]。在评价方法上，“生态足迹法”“系统动力学”“主成分分析法”等评价方法运用较为广泛，同时借助“3 S技术”对指标进行评价，探究各承载力系统在综合评价体系中的应用[10-14]。

目前我国资源环境承载力研究在区域上，既有东南部的沿海发达地区，也包含了中西部欠发达地区；既有山地丘陵区、水源生态区，又有城市经济群，覆盖面十分广泛[15-20]。在研究尺度上，当前国内学者更加注重省级行政区、市级管辖区等宏观尺度的研究，获得了许多有意义的研究成果，也为较大尺度上的国土空间规划及开发提供了科学依据[21-22]。然而，县域、乡镇等中微观尺度作为我国行政区划中的重要和基本组成单元，是国家贯彻落实国土空间规划改革等政策的基础落脚点[23-26]。基于此，开展县域资源环境承载力评价研究对于小区域小尺度的资源开发与调整、环境保护与治理、促进社会经济发展具有重要指导意义。

以河北省卢龙县为例，以乡镇作为评价单元，构建基于自然条件、自然资源、生态环境、社会经济4个层次的多要素县域资源环境承载力评价模型，并运用层次分析法对指标赋权，进行实证研究，以期丰富以县域为研究尺度的资源环境承载力研究成果，并为国土空间规划提供借鉴。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

卢龙县位于河北省东北部，屏障京津、倚靠唐秦、连结东北，是秦皇岛的“西大门”。属低山丘陵区，全域主要分为低山、丘陵、平原和盆地4种地貌类型。属温带大陆性季风气候，四季分明，气候宜人，年平均气温11.4 ℃，年平均降水量614.5 mm，地表水由入境水和自产水2部分组成。卢龙境内非金属矿产资源丰富，有大理石、石灰石和石英石分布。全县土地资源丰富，土壤主要分为棕壤、褐土2类，宜耕期长。农业是传统产业，甘薯、酒葡萄产业发展迅速。全县地处环渤海、环京津两大经济圈的中心地带，与各区域经济往来频繁，是秦皇岛与京津产业辐射和带动的重要经济联系空间。

1.2 数据来源

数据来自于：数字高程模型(DEM)，分辨率为30 m，通过ArcGIS 10.2从中提取坡度、高程；分辨率为1 km的河北省累积降雨量图；土壤数据来源于中国1∶100万土壤数据库；卢龙县2017土地利用现状图、林地保护规划、土地变更调查结果；卢龙县水资源调查与评价；卢龙县生态保护红线图、水土功能保持重要性图、土地沙化敏感性图；2017年卢龙县环境质量报告书；2017年卢龙统计年鉴、2017年卢龙县国民经济与社会发展统计公报。

2 研究方法

2.1 评价指标体系的构建

鉴于资源环境承载力包含丰富的内容，每个指标因素之间存在联系且相互影响，因此在构建评价指标体系时要按照科学性、全面性和系统性的原则，避免因选取指标过少而评价不够准确，同时结合指标的可获取性选取有代表性、实用性的指标。在参考相关文献、技术规范后[27-30]，将卢龙县资源环境承载力划分为4个准则层，20个具体评价指标。

评价中部分指标的计算方法：

(1)坡度指数

坡度指数是反映一个区域内地表单元的陡缓程度。以坡度(≤8 °)指数为例，其计算公式为：

(1)

(2)国家级公益林指数

国家级公益林指数是用来反映一个国家或地区绿化程度的指标，国家级公益林指标越高，则表明该区域的森林生态环境越好，生态承载力越高。

(2)

(3)生物丰度指数

生物丰度指数是评价区域内生物的丰贫程度，利用生物栖息地质量和生物多样性综合表示。根据《生态环境状况评价技术规范》[29]中的计算方法：

(3)

式中：BI为生物多样性指数，HQ为生境质量指数；当生物多样性指数没有动态更新数据时，生物丰度指数变化等于生境质量指数变化。

生境质量指数=Abio×

(4)

式中：FA为林地面积，GA为草地面积，WA为水域湿地面积，CLA为耕地面积，CA为建设用地面积，ULA为未利用地面积，RLA为区域面积，Abio为生境质量指数的归一化系数，根据规范[29]，参考值为511.264 213 106 7。

(4)水源涵养指数

评价区域内生态系统水源涵养功能状况，主要利用区域内具有水源涵养功能的林地、草地及水域湿地等生态类型用地进行差异化评价。根据《生态环境状况评价技术规范》[29]中的计算公式：

水源涵养指数=Acon×(0.45×WA×0.35×FA+0.20×GA)/RLA

(5)

式中：Acon是水源涵养指数的归一化系数，根据规范[29]，参考值为526.792 598 440 0。

(5)水土功能保持重要性指数

水土保持功能是指生态系统通过调节其自身结构与功能，减少因为人类活动和自然因素所造成的水土流失，采用通用的水土流失方程进行评估，计算方法为：

Ar=R×K×LS×C×P

(6)

式中，Ar为现实的土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可侵蚀因子；LS为地形因子；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。

(6)土地沙化敏感性指数

土地沙化敏感性指数是反映一个地区自然作用与人为活动等综合因素引起的土地沙化程度。具体计算方法为：

(7)

式中：Di为i评估区域土地沙化敏感性指数；Ii、Wi、Ki、Ci分别为i评估区域干燥指数、起沙风天数、土壤质地和植被覆盖度的敏感性等级值。

(7)单位面积农业机械总动力

单位面积农业机械总动力是指区域农业机械总动力与区域粮食播种面积之比，是反映区域农业机械化发展程度的指标。计算方法如下：

(8)

(8)人均耕地生产能力

人均耕地生产能力是反映区域耕地生产农作物能力强弱大小的指标，指标越高，代表区域承载能力越强。参考刘金花的计算方法[27]，计算公式如下：

(9)

2.2 评价指标的标准化

由于不同的评价指标具有不同的量纲和单位，无法进行比较和分析，因此，在评价之前应先将不同量纲的指标进行标准化处理，以消除量纲的差异。采用极差变换法进行标准化处理，计算公式如下：

(10)

(11)

2.3 评价指标权重确定方法

在资源环境承载力评价体系中，各项指标相互制约影响，因此确定指标权重十分重要。采用层次分析法确定权重，具体计算步骤如下：

(1)建立层次结构。

(2)构造准则层与指标层的判断矩阵。

根据成对比较法和9级分制将判断定量化，形成数值判断矩阵。

(3)采用方根法计算特征值。

①计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi

(12)

②计算Mi的n次方根Wi

(13)

(14)

则W=[W1W2…Wn]即为所求的特征向量。

④计算判断矩阵最大特征根λmax

(15)

其中(AW)i为AW的第i个元素

⑤对判断矩阵进行一致性检验

(16)

(17)

当CI=0时，可认为判断矩阵完全一致。查找平均随机一致性指标RI,根据上述公式计算一致性比例CR。若CR<0.1，则可认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵做出合适的修正。

2.4 综合评价方法

在将数据进行标准化处理并运用层次分析法确定权重后，采取线性加权和函数计算资源环境承载力的综合分值，计算公式如下所示：

(18)

式中，F为资源环境承载力的综合评价得分，Wi为每个指标对应目标层的权重，Xi为各项指标标准化后的数值，n为指标个数。

3 研究结果

3.1 评价指标权重确定

根据上述方法及原则，构建卢龙县资源环境承载力评价指标体系，运用层次分析法对各项指标及各准则层的权重进行计算。卢龙县资源环境承载力评价指标体系及评价因子权重如表1所示。

表1 卢龙县资源环境承载力评价指标体系及评价因子权重Table 1 Evaluation index system and evaluation factor weight of resources and environment carrying capacity in Lulong County

3.2 资源环境承载力评价分值计算

收集并整理卢龙县相关数据，依据上文所述方法和步骤，对卢龙县资源环境承载力评价指标体系中的20项原始评价指标值进行标准化处理，在确定了各项指标因子的权重，将标准化后的数值与各项从自然条件承载力评价结果显示，承载力高的地区有卢龙镇，土地总面积占全县的12.35%，这里地形相对平坦，具有良好的自然条件优势。双望镇、刘田各庄镇、木井镇和印庄乡自然条件承载力较高，占全县面积的34.85%；潘庄镇、燕河营镇、陈官屯镇和下寨乡自然条件承载力为中等；承载力相对较低的为刘家营乡，该区域坡度及平均高程较高，地形起伏较大，坡度≥25°的面积为628.02 hm2，占比达10.64%，发展空间有限。

指标因子的权重相乘，计算得出各项指标的评价分值，计算结果如表2所示。运用ArcGIS 10.2中的制图功能制作卢龙县各乡镇不同承载力评价得分图，如图1所示。

表2 卢龙县各乡镇不同承载力评价分值Table 2 Evaluation score of different carrying capacity of townships in Lulong County

表2(续)

图1 卢龙县各乡镇不同承载力评价得分图Figure 1 Evaluation score chart of different carrying capacity of townships in Lulong County

自然资源承载力评价结果显示，纵向北部地区的自然资源承载力要好于南部地区。其中下寨乡、潘庄镇、双望镇和印庄乡的承载力相对较高，人均耕地生产面积均达到0.17 hm2/人以上，粮食产量达到600 kg/人以上，远超中国平均水平。陈官屯镇、燕河营镇和刘家营镇自然环境承载力等级为中等水平，刘家营镇和石门镇一带矿产资源分布较为集中。位于县域南部的蛤泊镇自然资源承载力等级为低，人均造林面积和耕地面积较少，自然资源相对匮乏。

生态环境承载力评价结果显示，刘家营乡的承载力等级为高，燕河营镇和刘田各庄镇的承载力水平为较高。刘家营乡的林草覆盖率达到47.31%，国家级公益林指数达到了38.93%(图2)，生物丰度指数、水涵养指数均为各乡镇最高值，且区域部分面积处于生态保护红线范围内(图3)，说明其生态环境承载能力处于良好状态。但由于土地沙化敏感性指数较高，存在发生地质灾害的风险。县域中部生态环境承载力为中等及较低，这部分乡镇林草地面积占比较低，工业发展较好，因此产生的环境污染也相对严重。木井镇的生态环境承载力最弱，林草覆盖率低，仅为0.08%；生物丰度指数都较低，人类生产活动痕迹明显，且水涵养指数较低，水资源匮乏，因此需加大对生态环境的治理力度，改善环境质量，提升生态功能。

图2 卢龙县公益林保护图 图3 卢龙县生态红线图

从社会经济承载力评价结果显示，石门镇的社会经济承载力为全县最高，达到较高等级。石门镇是县域南部的工业重镇，地均固定资产投资为13.78 万元/hm2，人均GDP为4.38 万元/人，为全县最高。卢龙镇、刘田各庄镇社会经济承载力为中等，其中卢龙镇人均GDP为全县第2，农业机械化水平高，但人口密度也相对较高，是全县的中心城市。刘田各庄镇是县域南部副中心，人均耕地生产能力为全县最高，二、三产业总产值比重较低。其余乡镇的社会经济承载力等级均为较低，人均耕地生产能力均在2 t/人以下。可以看出卢龙县虽为农业大县，但其农业现代化水平不足。

3.3 资源环境承载力综合分值及等级划分

依据公式(18)计算各乡镇资源环境承载力综合评价分值。在计算完综合分值后，将资源环境承载力划分为5个等级，由小到大依次为低(0～0.2)、较低(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、较高(0.6～0.8)和高(0.8～1.0)，得到卢龙县各乡镇承载力等级划分结果，每个等级相应反映了各乡镇资源的分布特征及环境承载能力上的差异。综合评价分值及承载力等级划分结果如表3所示。

表3 卢龙县各乡镇资源环境承载力综合评价分值及承载力等级Table 3 Comprehensive evaluation score and bearing capacity grade of resources and environment carrying capacity of villages and towns in Lulong County

根据上述计算结果，卢龙县各乡镇资源环境承载能力相对中等，且总体差别并不大，共有10个乡镇资源环境承载能力处于中等水平。卢龙镇、下寨乡和印庄乡作为卢龙县的中心城区，是县政治经济文化中心，自然资源和社会经济承载力都处于全县的顶尖水平，整体发展较好，但其生态环境承载能力较弱，需加强生态环境建设。石门镇、刘田各庄镇、燕河营镇等综合承载力等级为中等的乡镇，对应职能相对固定，但存在局部发展不平衡的特点。木井镇和蛤泊镇的资源环境承载力较低，自然资源和生态环境承载能力较差，亟需解决资源环境的可持续利用问题。

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究以地处燕山山地丘陵区的河北省卢龙县为研究对象，从自然条件、自然资源、生态环境和社会经济4个层次构建资源环境承载力评价指标体系，进行实例分析，主要结论如下：

(1)卢龙县各乡镇资源环境承载力总体水平不高，且差异并不明显。具体而言，潘庄镇、双望镇、下寨乡、刘田各庄镇、印庄乡、陈官屯镇、燕河营镇、石门镇、卢龙镇、刘家营乡的资源环境承载力等级为中等，较低的区域为木井镇和蛤泊镇。采用层次分析法进行赋权，权重由大到小排序依次为自然资源承载力、生态环境承载力、自然条件承载力、社会经济承载力。

(2)从自然条件、自然资源、生态环境、社会经济4个层次探讨卢龙县资源环境承载能力。卢龙县北部及东南部存在低山，其在4个层次上的评价得分与中部及北部平原丘陵地区有着明显不同。卢龙县资源总量较为丰富，但耕地能力及机械化水平较差；全县生态面积总量较少，且生态功能水平较低；工业化、机械化水平处于中等水平，社会经济承载力有待进一步提升。

(3)以乡镇作为研究单元，从较小尺度评价县域资源环境承载力能够更细致的厘清各乡镇对于不同层次的承载能力，找到优势与不足，找准其定位与规划职能，真实反映县域地区资源环境及经济发展的情况，为县级国土空间规划提供理论参考。

4.2 讨论

资源环境承载力评价已经成为协调区域发展、落实生态文明建设的重要抓手，是国土空间规划编制的前提和基础。当今有关资源环境承载力的研究单元较大，多以省、市等宏观尺度开展研究，而本研究以乡镇作为研究单元，提高县域评价的精度和准确度，较为精细地反映了县域资源环境承载能力，评价结果具有一定的合理性和科学性。然而在构建评价指标体系时，由于乡镇级别的部分指标难以获取，评价结果存在一定的局限性，且采用主观赋权的评价方法，难免会存在一定的主观成分。在今后的研究中，亦可丰富数据源，深化评价方法，同时增加时间尺度上的纵向对比，探究因时间变化而产生的资源环境承载力变化趋势。

此外，本研究从自然条件、自然资源、生态环境和社会经济4个层次出发，选取20个具有普适性的评价指标，考量低山丘陵地区资源环境的承载水平。由于资源环境承载力包含资源、环境和生态等多种评价要素，今后要进一步探究各评价要素及各层次之间的联动与交互作用对评价结果产生的影响，且不同地域的评价要素所占承载力比重不同，如何针对不同地域、不同要素之间的影响关系构建具有普适性和特殊性相结合的评价体系，与县级国土开发适宜性评价相结合，进而为国土空间规划服务，应当成为今后研究的重点。